Методика выполнения работы. «Вопросы организации экологического мониторинга»

Лабораторная работа № 1.

«Вопросы организации экологического мониторинга»

(семинарское занятие)

 

Цель семинара: Изучить частные вопросы, связанные с особенностями организации мониторинга атмосферного воздуха.

 

Задачи:

- углубленное изучение раздела дисциплины;

- развитие творческого профессионального мышления;

- познавательная мотивация;

- профессиональное использование знаний в учебных условиях:

- овладение профессиональным языком;

- приобретение навыков оперирования формулировками, понятиями, определениями;

- повторение и закрепление знаний.

 

Вопросы для изучения:

1. Организация системы мониторинга окружающей среды в России.

2. Организация систем мониторинга окружающей среды в зарубежных странах.

3. Организация системы мониторинга в г.Сургуте и Сургутском районе.

4. Комплексные лаборатории для контроля загрязнения атмосферы.

5. Определение метеорологических параметров.

6. Экспрессные методы анализа химического загрязнения объектов окружающей среды.

7. Биоиндикация загрязнения атмосферы.

8. Биоиндикаторы состояния поверхностных вод.

9. Биоиндикаторы состояния почвенного покрова.

 

Задание: Подготовить информационные сообщения в виде докладов с презентациями по вышеперечисленным вопросам. Доклады и презентации могут быть приготовлены в паре. Каждое информационное сообщение должно быть рассчитано на 7-10 минут. После сообщения предполагается обсуждение доклада и ответы на вопросы аудитории (не более 5 минут).

 

Лабораторная работа № 2.

«Определение перечня веществ, подлежащих контролю»

Методика выполнения работы

В атмосферный воздух города поступает большое количество различных вредных веществ. Повсеместно выбрасываются такие вредные вещества, как пыль (взвешенные вещества), диоксид серы, диоксид и оксид азота (наблюдения за оксидом азота обязательно проводят только в городах с численностью населения 250 тыс. и более), оксид углерода, которые принято называть основными, а также различные специфические вещества, выбрасываемые отдельными производствами, предприятиями, цехами.

Перечень веществ для измерения на стационарных, маршрутных постах и при подфакельных наблюдениях устанавливается на основе сведений о составе и характере выбросов от источников загрязнения в городе и метеорологических условий рассеивания примесей. Определяются вещества, которые выбрасываются предприятиями города, и оценивается возможность превышения ПДК этих веществ, В результате, составляется список веществ, подлежащих контролю в первую очередь. Принцип выбора вредных веществ и составления списка прио­ритетных веществ основан на использовании параметра потребления воздуха (ПВ):

реального

ПВ_i = M_i/q_i (1)

и требуемого

ПВ_тi= M_i/ПДК_i, (2)

где М_i–суммарное количество выбросов i-й примеси от всех источников, расположенных на территории города;

q_i– концентрация, установленная по данным расчетов или наблюдений.

Устанавливается, будет ли средняя или максимальнаяконцентрация примеси превышать при данных выбросах соответственно среднюю суточную ПДК_c.c. или максимальную разовую ПДК_м.р.. Если ПВ_тi> ПВ_i, то ожидаемая концентрация примеси в воздухе может быть равна ПДК или превысит ее, и, следовательно, i-я примесь должна контролироваться. Перечень веществ для организации наблюдений устанавливается сравнением ПВ с ПВ_т для средних (ПВ_c.c.)и максимальных (ПВ_м.р.)концентраций примесей.

Для выявления необходимости наблюдений за i-й примесью с использо­ванием ПВ_с.с. предлагается графический метод. На рис 1.показано семей­ство прямых линий, соответствующих q= ПДК_с.с.по заданным значениям M_i, потенциала загрязнения атмосферы (ПЗА) и характерного размера города L_jопределяемого условно как радиус круга площадью S _j, соответствующей площади города, т. е.

L_j=ÖS_j/ p. (3)

ПЗА для города определяется по географическим зонам.

Если один или группа источников расположены за городской чертой на одной промплощадке, то учитывается повторяемость P_j(в долях единицы) направления ветра со стороны промплощадки. В этом случае вместо М_i берется М'=M_i·P_i(в среднем для европейской части России (ЕЧС) SР_j принимается равной 0,5), а вместо L_j, берется L'_j равное 2 км, т.е. расстоянию, на котором средняя концент­рация примеси имеет наибольшее значение.

На рис 1. для i-й примеси по значениям М_i (M_i') L_j (L_j') определяется место­положение точки по отношению к расчетной прямой q_i= ПДК_c.c.j.. Если точка попадает в область выше прямой или на прямую, то это означает, что ожидаемая средняя концентрация i-й примеси будет превышать санитарно-гигиеническую норму (ПДК_c.c.) или будет равна ей и, следовательно, i-юпримесь необходимо контролировать. Если точка ложится ниже прямой,то контролировать i-ю примесь не следует (если при этом ожидаемое максимальное значение концентра­ции не будет превышать ПДК).

При применении графического метода следует учитывать, что прямые на рис. 1 соответствуют значениям ПДК_c.c. от 0,005 до 0,05 мг/м³. Если значение ПДК i-й примеси больше 0,05 (или меньше 0,005), используется прямая линия, соответствующая значению ПДК_c.c. в 10 раз меньшему (или большему), чем ПДК, а значения М, нанесенные на оси координат, умножаются (или делятся) на 10. Например, для серной кислоты, имеющей ПДК_c.c. = 0,1 мг/м³, используем линию ПДК_c.c. в 0,01 мг/м³, а значения Мна оси ординат умножаем на 10.

После отбора примесей, подлежащих контролю, определяется очередность организации контроля за специфическими примесями, выбрасываемыми разными источниками. Для этого рассчитывается параметр требуемого потребления воздуха (ПВ_T1) по формуле

ПВ_T1i=M_i/ ПДК_с.сi.(4)

Если ПВ_Т11|>ПВ_Т12>ПВ_Т13>..., то первой в список контролируемых примесей войдет примесь с наибольшим значением ПВ_Т1 под номером 1, второй — примесь со следующим значением ПВ_т1, под номером 2 и т.д. Таким образом составляется первый предварительный список примесей в порядке 1,2,3,... Если несколько примесей имеют одинаковые значения ПВ_Т1, то сначала записывается примесь класса опасности 1, затем 2, 3 и 4.

С помощью рис. 1можно определить целесообразность организации наблюдений за основными примесями в городах, где контроль не осуществляется, а по величине ПВ_Т1 составить список городов, где необходимо организовать наблюдения за основными примесями.

 

Рис. 1а. Зависимость между суммарными выбросами М,характерным размером города Lи средней концентрацией примеси Q = ПДК: а –для города с ПЗА=2,5…3,0;

 

Рис. 1б. Зависимость между суммарными выбросами М,характерным размером города Lи средней концентрацией примеси Q = ПДК: б – для города с ПЗА>3,0

Перейдем к оценке ожидаемой максимальной концентрации примесей. В этом случае при выборе примесей для контроля их содержания в воздухе устанавливается соотношение (ПВ₂) между ожидаемой при данных выбросах максимальной разовой концентрацией i-й примеси и ее ПДК_м.р. Значения ПВ₂ для наиболее часто встречающихся неблагоприятных условий рассеивания отдельно для холодных и горячих выбросов на соответствующих высотах и различных скоростей выхода газовоздушной смеси из трубы, т. е. для различных А, DT, Н, Vприведены в табл. 3.

Таблица 3 - Параметр ПВ₂=M/q (тыс. т×м³/(мг×год)) для разных значений А(с^2/3×м×°С^1/3/г) и V (м³/с)

А	V	Н, м	V	Н, м
А	V				V
Низкие и холодные выбросы (DT<50°С)	Высокие и горячие выбросы(DT³50°С)
		0,3	1,6	6,6		3,5	14,0	87,4
		0,6	3,6	14,2		10,1	40,3	252,1
		0,2	1,2	5,0		2,6	10,5	65,6
		0,4	2,7	10,7		7,6	30,3	189,1
		0,2	1,0	4,0		2,1	8,4	52,4
		0,3	2,1	8,5		6,0	24,2	151,3
		0,1	0,8	3,3		1,8	7,0	43,7
		0,3	1,8	7,1		5,0	20,2	126,1

 

Отдельно рассматриваются выбросы с разностью значений температуры выбрасываемой газовоздушной смеси и окружающего воздуха DT< 50°С и DT³50°С. Значения H устанавливаются с учетом следующих условий.

Если примесь поступает в атмосферу от многих мелких источников и автотранспорта, принимается Н £ 20 м. Если примеси выбрасываются из нескольких промышленных источников разной высоты, то принимаем условно Н = 50 м, что примерно соответствует средней высоте труб. Если в городе основные примеси выбрасываются в основном промышленными предприятиями с высокими трубами (ТЭЦ, ГРЭС и др.), то для них принимается Н, равная 100…250 м.

По значениям M_iи ПДК_м.р.i определяется параметр реального потребления воздуха, который сравнивается затем с ПВ_Т2. Если ПВ_Т2i>ПВ_2i, то i-я примесь включается во второй предварительный список примесей, рекомендованных для контроля.

С помощью значений ПВ₂, приведенных в табл. 1, определяется второй предварительный список. Этот список одновременно является списком городов, где необходимо организовать наблюдения за основными примесями.

Окончательный приоритетный список примесей, рекомендуемых для наблюдений, составляется из двух списков. Сначала распределяются места в списке примесей по значению ПВ_Т1. Номер первый присваивается примеси, которой соответствует наибольшее значение ПВ_Т1. Затем распределяются места в порядке убывания значений ПВ_Т2.

Работа проводится в несколько этапов. Окончательный приоритетный список составляется по сумме мест в предварительных списках, составленных по значениям ПВ_Т1 и ПВ_Т2. При этом примеси, для которых нет ПДК_м.р. включаются в список по удвоенному номеру места, полученного по значению ПВ_Т1. Если несколько примесей имеют одинаковые номера мест в окончательном списке, то очередность этих примесей устанавливается по классу опасности веществ. В первую очередь записываются примеси классов опасности 1 и 2.

Задание: Требуется составить приоритетный список примесей, подлежащих контролю в городе N. Исходные данные для расчета представлены в табл.1 и 2.

Таблица 1 - Варианты индивидуальных заданий

 

Вещество	Масса выбрасываемого вещества М, тыс. т/год
Азота двуокись	13,8	25,1	17,0	33,0	9,5	16,8	8,7	5,2	12,0	4,6
Аммиак	3,6	-	8,4	2,5	7,9	-	12,1	7,3	6,4	-
Пыль неорга-ническая	35,2	28,3	21,5	15,4	19,8	27,9	32,1	40,8	42,4	26,6
Сероводород	0,8	0,5	0,6	0,7	-	0,9	0,5	-	0,4	0,2
Серы двуокись	15,3	20,1	32,5	28,7	19,9	31,0	18,2	17,3	15,9	11,0
Углерода окись	50,8	33,2	15,8	10,6	29,5	44,1	38,1	15,5	34,6	49,8
Фенол	-	1,5	1,4	-	1,3	1,2	1,5	1,6	-	1,7
Формальдегид	0,5	0,8	-	0,6	0,9	0,7	-	0,3	0,9	1,0

 

Таблица 2 - Исходные данные для выполнения работы

№ варианта	L, км	ПЗА	А	DТ, оС	Н, м	V, м3 ч
1…3		2,5		>50
4…6		3,0		<50
7…10		3,5		>50

Пример решения задачи:

Требуется составить приоритетный список примесей, подлежащих контролю в городе N.

1. В соответствии с данными инвентаризации. выбросов вредных веществ в городе N, расположенном на ЕЧС (А=120; ПЗА= 2,5), характерный размер которого L=6км, высота выбросов H=50м,DT>50, в табл. 4 приведены значения количества выбросов Мдля восьми примесей (графа 2), а также значения ПДК_c.c и ПДК_м.р (графы 3 и 4).

2. Из списка исключаются примеси, не имеющие ПДК.

3. Для основных примесей (диоксида азота, диоксида серы), выбрасываемых множеством предприятий, принимается характерный размер города L = 6 км. Ha рис. 1 по значениям Ми Lдля этих примесей определяем, что средние концентрации q_SO2, q_NO2будут превышать соответствующие ПДК, и в таблице в графе 5 ставим знаки плюс.

4. Для специфических примесей, поступающих в атмосферу от одиночных источников (акролеин, аммиак и др.), рассчитывается М' = М×Р, где Р = 0,5 (так как данный город расположен на ЕЧС). Из рис. 1 по значению М'и L'= 2 км определяем, что необходимо контролировать средние концентрации следующих примесей: аммиак, свинец и сероводород. Против них в графе 5 ставится знак плюс, против остальных специфических записей — знак минус.

5. Рассчитываются значения ПВ_Т2 для всех примесей, имеющих ПДК_м.р (графа 8) и сравниваются эти значения с ПВ_Т2 из табл. 1 для выбросов при DT³50°С, H=50 м. Для примесей, у которых ПВ_Т2> ПВ₂, ставим в графе 6 знак плюс (диоксид дзота, аммиак, ацетон, диоксид серы, сероводород).

6. Рассчитывается индекс ПВ_Т1 для примесей со знаками «++», «-+» (или «+-») и записывается в графу 7.

7. По значению ПВ_Т1 для шести примесей устанавливаются номера мест с 1-го по 6-е. Они помешаются в графу 9. По значениям ПВ_Т2 номера мест с 1-го по 5-е записываются в графу 10.

8. Определяется сумма мест для каждой из шести примесей и записывается в графу 11. Для свинца, у которого нет ПДК_м.р номер места равен 3×2 = 6.

9. Составляется приоритетный список примесей для организации наблю­дений в городе N. При этом для одинаковых значений суммы мест первой ставится примесь с большим значением ПВ_Т1+ПВ_Т2 или примесь, класс опасности которой выше (имеет меньший номер).

Приоритетный список

1. Диоксид азота 3. Свинец 5. Аммиак 2. Диоксид серы 4. Сероводород 6. Ацетон

На основании установленного перечня веществ, подлежащих контролю, в каждом городе определяются вещества для организации наблюдений на постах. На опорных стационарных постах организуются наблюдения за содержанием основных загрязняющих веществ: пыли, диоксида серы, оксида углерода, оксида и диоксида азота, — и за специфическими веществами, которые характерны для промышленных выбросов многих предприятий данного города (населенного пункта).

Таблица 4 - Пример составления приоритетного списка веществ, подлежащих контролю для города N (ЕЧС) при А=120, ПЗА=2,5, L=6 км, H = 50 м

Примесь	М, тыс.т/год тыс. т/год	ПДКс.с	ПДКм.р	Контроль по	ПВТ1	ПВТ2	Номер места по	Сумма мест
			ПВТ1	ПВТ2	ПВТ1	ПВТ2
1. Азота диоксид	12,07	0,04	0,085	+	+	301,8	142,0
2. Акролеин	0,001	0,03	0,03	-	-	-	-	-	-	-
3. Аммиак	7,938	0,04	0,2	+	+	198,4	39,69
4. Ацетон	1,932	0,35	0,35	-	+	5,52	5,52
5.Изопентан	0,013	Нет ПДК
6. Свинец	0,071	0,0003	Нет ПДК	+		236,7
10. Серы диоксид	20,04	0,05	0,5	+	+	400,8	40,08
8.Сероводород	0,823	0,008	0,008	+	+	102,9	102,9

Примечание. В графах 5, 6 плюс — контроль нужен, минус — контроль не нужен. Для сероводорода значение ПДК_с.с равное 0,008 взято условно.

 

Лабораторная работа № 3.

«Отбор проб воздуха для последующего анализа вредных газовых примесей и содержания пыли»

Цель работы: ознакомится с режимами отбора проб; средствами измерения; условиями хранения и отбора проб воздуха; ознакомится с методикой расчета массовой концентрации пыли в атмосферном воздухе; произвести расчет по определению массовой концентрации пыли в атмосферном воздухе.

Теоретическая часть:

Определение концентраций многих вредных примесей в атмосфере производится лабораторными методами. Отбор проб осуществляется путем аспирации определенного объема атмосферного воздуха через поглотительный прибор, заполненный жидким или твердым сорбентом для улавливания вещества, или через аэрозольный фильтр, задерживающий содержащиеся в воздухе частицы. Определяемая примесь из большого объема воздуха концентрируется в небольшом объеме сорбента или на фильтре. Параметры отбора проб, такие как расход воздуха и продолжительность его аспирации через поглотительный прибор, тип поглотительного прибора или фильтра, устанавливаются в зависимости от определяемого вещества.

При наблюдениях за уровнем загрязнения атмосферы используются следующие режимы отбора проб:

– разовый, продолжающийся 20 - 30 мин;

– дискретный, при котором в один поглотительный прибор или на фильтр через равные промежутки времени в течение суток отбирают несколько (от 3 до 8) разовых проб;

– суточный, при котором отбор в один поглотительный прибор или на фильтр производится непрерывно в течение суток.

Отбор проб атмосферного воздуха осуществляется на стационарных или передвижных постах, укомплектованных оборудованием для проведения отбора проб воздуха и автоматическими газоанализаторами для непрерывного определения концентраций вредных примесей. Одновременно с проведением отбора проб непрерывно измеряются скорость и направление ветра, температура воздуха, атмосферное давление, фиксируется состояние погоды и подстилающей поверхности почвы.

Используемые на стационарных постах средства измерения размещаются в комплектных лабораториях «Пост-1» и «Пост-2», на маршрутных и подфакельных постах – в автолаборатории «Атмосфера-II».Для отбора проб воздуха используются электроаспираторы или воздухоотборники.

Электроаспираторы модели 822 и ЭА-1 предназначены для отбора разовых (20 - 30 мин) проб воздуха в поглотительные приборы с целью дальнейшего определения концентраций газообразных примесей и сажи. Используются в стационарных лабораториях «Пост-1»и «Пост-2». Электроаспиратор ЭА-1А также предназначен для отбора разовых проб, имеет автономное питание и используется в автолаборатории «Атмосфера-II». Электроаспиратор ЭА-2 предназначен для отбора разовых проб воздуха на фильтры с целью дальнейшего определения концентраций аэрозольных примесей. Используется в лабораториях «Пост-2».

ЭлектроаспираторЭА-2С предназначен для отбора суточных проб на один фильтр в циклическом или непрерывном режиме. Используется в лаборатории «Пост-2». Он предназначен для отбора разовых или суточных проб на один фильтр в циклическом или непрерывном режиме.

ЭлектроаспираторЭА-3 предназначен для отбора разовых или суточных проб большого объема на один фильтр и адсорбер с твердым сорбентом для определения малых концентраций примесей, находящихся в газообразном и аэрозольном состоянии. Используется на станциях фонового мониторинга и в населенных пунктах, где устанавливается автономно на охраняемой территории.

Воздухоотборник «Компонент» предназначен для циклического отбора разовых проб воздуха в поглотительные приборы с целью дальнейшего определения концентрации газообразных примесей. Предусмотрен автоматический отбор 32 проб, распределенных по четырем каналам. Используется в стационарных лабораториях «Пост-2».

Стационарный пост Автолаборатория «Атмосфера-II»

Электроаспиратор ЭА-1 Электроаспиратор ЭА-2

 

До начала отбора необходимо убедиться в соблюдении ряда требований:

Для правильного определения концентрации пыли при отборе разовых проб воздуха должно выполняться условие изокинетичности, т.е. скорость пропускаемого через фильтр воздуха должна быть равна скорости набегающего потока; выравнивание скоростей осуществляется за счет применения конусных насадок, выбор которых зависит от скорости ветра. Фильтродержатель должен быть ориентирован навстречу ветровому потоку. При суточном отборе пробы пыли в условиях высокой запыленности масса пыли на фильтре может превысить его пылеемкость, равную 5 мг/см² (т.е. 200 мг на весь фильтр). В таком случае следует переходить к циклическому отбору проб.

Неточность определения объема воздуха, прошедшего через поглотительные устройства, влияет нарушение герметичности воздуховодов и фильтродержателя. Наиболее вероятно натекание воздуха через фильтродержатель, подводящие резиновые шланги за счет старения резины и появления трещин, соединения резиновых шлангов со штуцерами и поглотительными устройствами.

Колпачок, предохраняющий воздухозаборную трубку от прямого попадания осадков и грязи, промывается один раз в три месяца.

Для защиты ротаметров электроаспираторов от брызг поглотительных и пропитывающихрастворов к выходным штуцерам присоединяют патроны, заполненные промытым и высушенным силикагелем с диаметром зерен 0,5 - 4 мм и ватными тампонами.

Поглотительные приборы должны присоединяться к распределительной гребенке (или воздуховодам)встык с помощью коротких резиновых трубок. Все воздуховоды и распределительная гребенка до поглотительных приборов должны быть изготовлены только из фторопласта или стекла. Применение для этой цели хлорвинила, полиэтилена, других пластмасс и всех типов резины недопустимо.

При отборе проб воздуха в сорбционные трубки (СТ) они присоединяются к S-образной трубке с помощью резиновой муфты. Присоединение СТ непосредственно к распределительной гребенке недопустимо. Общая длина резиновых соединений, с которыми непосредственно соприкасается анализируемый воздух, не должна превышать 10 мм. Нельзя допускать загрязнения S-образной трубки пропитывающим раствором. Промывка трубки и присоединительных муфт должна производиться еженедельно в химической лаборатории.

Сорбционные трубки устанавливаются при отборе пробы строго вертикально слоем сорбента вниз, чтобы воздух проходил слой сорбента снизу вверх (рис. 1). Перед присоединением СТ к электроаспиратору слой сорбента уплотняется легким постукиванием нижнего конца СТ о кусочек чистой фильтровальной бумаги, лежащей на твердой поверхности.

Рис. 1. Принципиальная схема отбора проб через сорбционную трубку

1 – сорбционная трубка; 2 - светозащитный экран; 3 - побудитель расхода.

 

При отборе проб воздуха для определения содержания диоксида серы, сероводорода и сероуглерода СТ должны быть защищены от света.

При отборе пробы воздуха для определения концентрации фторида водорода в качестве материала для воздуховода нельзя применять не только резину, но и стекло. Допускается только фторопласт. Поэтому отбор проб для определения HF не может осуществляться с помощью воздухоотборника «Компонент», имеющего стеклянные распределительные гребенки. Можно присоединять СТ снаружи поста к патрубку для отбора проб на сажу. Внутреннюю поверхность воздуховодов при отборе проб HF внутри поста следует очищать от пыли 1раз в неделю.

При проведении работ в автолаборатории «Атмосфера-II» необходимо соблюдать следующие условия. Автомашина устанавливается таким образом, чтобы ее левый борт или задняя часть были наветренными. На магистралях города лаборатория устанавливается параллельно оси движения транспорта у тротуара или на обочине дороги.

Условия хранения проб

Сразу после отбора проб поглотительные приборы (СТ) закрывают заглушками; особенно тщательно закрываются СТ с пробами на оксиды азота и аммиак. Пробы на диоксид серы, сероуглерод и сероводород должны предохраняться от попадания света как при отборе проб, так и при хранении. При температуре воздуха выше 25 °С пробы на сероуглерод и диоксид серы следует сразу после отбора поместить в холодильник, а при его отсутствии - в широкогорлый термос, в котором находится лед.

Для этой цели могут использоваться термосы объемом 0,25 - 1 л. Количество льда, необходимое для сохранения низкой температуры в течение дня, зависит от наружной температуры, но обычно не превышает 20 - 30 % емкости термоса. Лед вносят в термос в виде небольших кусочков, помещенных в два полиэтиленовых мешка, герметично запаянных или закрытых с помощью резинового кольца. Во избежание поломки стеклянной колбы на ее дно помещают кусочек поролона, а стенки защищают цилиндром из толстой бумаги.

СТ, закрытые заглушками или колпачками из полиэтиленовой пленки, вкладывают в термос в полиэтиленовом мешке слоем сорбента вниз. Мешок должен быт герметично закрыт во избежание конденсации в нем влаги из воздуха. При использовании не больших термосов, в которых СТ не помещаются целиком, сверху на него надевают теплозащитный колпак, изготовленный из двух слоев материи с прокладкой из ваты или поролона.

Практическая часть:

(Методика расчета массовой концентрации пыли в атмосферном воздухеРД 52.04.186-89)

Методика предназначена для определения массовой концентрации пыли в атмосферном воздухе. Используется для измерения разовых и среднесуточных концентраций пыли при удельном расходе воздуха 5 дм³/(мин×см³) в диапазонах: 0,26 -50 мг/м³ (разовая); 0,007 - 0,69 мг/м³ (суточная); 0,04 -4,2 мг/м³ (суточная при автоматическом циклическом отборе проб по 20 мин 12 раз в сутки); от 0,17 до 16,7 мг/м³ (суточная при ручном циклическом отборе проб по 20 мин 3 раза в сутки) в зависимости от объема пробы.

1. Нормы точности измерений

По экспертным оценкам, при определении концентрации пыли в атмосферном воздухе в указанных диапазонах (0,26 - 50; 0,007 - 0,69; 0,04 - 4,2; 0,17 - 16,7 мг/м³) относительная погрешность не превышает ±25 %. Предельная абсолютная погрешность определения массы пыли на фильтре - 0,2 мг. Предельная относительная погрешность определения объема воздуха, прошедшего через фильтр, - 6 %.

2. Методизмерения

Метод основан на определении массы взвешенных частиц пыли, задержанных фильтром из ткани ФПП при прохождении через него определенного объема воздуха.

3. Средстваизмерений, вспомогательные устройства, реактивыиматериалы

При выполнении измерений применяются следующие средства измерений, вспомогательные устройства, реактивы и материалы:

Средства измерений:

– Весы аналитические ВЛА-200;

– Меры массы;

– ЭлектроаспираторЭА-2;

– Анеморумбограф М-63МР;

– Барометр-анероид М-67.

– Материалы:

– Фильтры из уплотненной опрессованной ткани ФПП-15 с диаметром рабочей поверхности 69,4 мм;

– Фильтры АФА-ВП-20.

4. Подготовкаквыполнениюизмерений

Используемые для отбора пробы пыли фильтры должны быть пронумерованы. Порядковый номер наносят карандашом на уплотненную кольцевую часть каждого фильтра из ткани ФПП или на бумажное кольцо фильтра АФА.

Перед отбором пробы фильтр должен быть взвешен на аналитических весах. Перед этим фильтр не менее 1 ч выдерживают в помещении, где производится взвешивание. Чтобы не испортить рабочую поверхность фильтра, при всех операциях его следует брать пинцетом за край.

Взвешенные чистые фильтры вкладывают в пакеты из кальки. Эти пакеты помещают в полиэтиленовые пакеты, на которые шариковой ручкой наносят номер фильтра и его начальную массу.

Подготовленные фильтры передаются наблюдателям для отбора проб воздуха на соответствующих постах наблюдений.

5. Выполнениеизмерений

Отбор пробы для определения среднесуточной концентрации пыли выполняется непрерывно с удельным расходом 5 дм³/(мин×см²)в течение 24 ч или - при большой запыленности - циклически по 20 мин через одинаковые промежутки времени. Для определения разовой концентрации отбор производится в течение 20 мин. Предельная пылеемкость фильтра из ткани ФПП составляет 5 мг/см².

Фильтр с отобранной пробой осторожно вынимают из фильтродержателя, складывают пополам запыленной поверхностью внутрь и помещают последовательно в пакет из кальки и в полиэтиленовый пакет. На пакет шариковой ручкой наносят следующие данные: наименование и номер города; дату и время отбора; начальное и конечное показания газового счетчика (или расход воздуха и продолжительность отбора пробы по ротаметру РС-7); температуру воздуха, проходящего через счетчик или ротаметр, и атмосферное давление во время отбора пробы. После этого фильтр передается в лабораторию для определения массы пыли.

Перед взвешиванием фильтры не менее часа выдерживают в помещении, где производится взвешивание. Если отбор пробы проводился при относительной влажности воздуха, близкой к 100 %, то фильтр доводят до постоянной массы. Для этого его необходимо поместить в стеклянной чашке в эксикатор с плавленым хлористым кальцием на 2 ч или в сушильный шкаф с температурой 40 - 50 °С на 30 - 50 мин, а затем выдержать 40 - 50 мин в помещении, где производится взвешивание. Если при взвешивании масса фильтра изменяется, то повторяют операцию просушивания.

Взвешенные фильтры с накопленной на них пылью вкладывают в те же пакеты из кальки и полиэтилена, на которые шариковой ручкой наносят значение конечной массы фильтра с пылью. Если после взвешивания и занесения всех данных о пробе в рабочий журнал фильтры не направляются на анализ элементного состава, то они тщательно запаковываются в кальку и сдаются на бессрочное хранение. Номер поста, дата и срок отбора записываются на конвертах.

6. Вычисление результата измерений

Массовую концентрацию (ρ мг/м³) взвешенных частиц в воздухе вычисляют по формуле:

где m₁ - масса фильтра без пыли, мг; m₂ - масса фильтра с пылью, мг; V₀- объем пропущенного через фильтр воздуха, приведенный к нормальным условиям, м³.

(1)

где V₀- объем отобранной пробы воздуха, приведенный к нормальным условиям, м³; u - расход воздуха при отборе пробы, м³/мин; V - объем пробы воздуха, измеренный при отборе, м³; t - температура воздуха на входе в ротаметр или счетчик (не на улице!), °С; τ₁и τ₂- время начала и конца отбора пробы; P - атмосферное давление при отборе пробы воздуха, кПа; K – коэффициент пересчета (при измерении P в кПа K = 2,7, а при измерении P в мм рт. ст. K = 0,358).

Для приведения объема пробы воздуха к нормальным условиям можно также использовать более простую формулу:

V₀ = K'V, (2)

где V₀ и V- означают то же, что в формуле (1); K' – коэффициент пересчета, найденный по табл. 1.

Среднее значение атмосферного давления при отборе среднесуточной пробы рассчитывают по формуле:

Р = (Р_н + Р_к)/2, (3)

где Р_ни Р_к – значения атмосферного давления в начале и конце отбора пробы.

Таблица 1 - Коэффициенты пересчета для приведения объема воздуха к нормальным условиям

Температура, °С	Давление, мм рт. ст. (кПа)
730 (97,3)	735 (98,0)	740 (98,7)	745 (99,3)	750 (100,0)	755 (100,7)
	0,96	0,96	0,97	0,98	0,98	0,99
	0,94	0,95	0,96	0,96	0,97	0,98
	0,93	0,93	0,94	0,95	0,95	0,96
	0,91	0,92	0,92	0,93	0,94	0,94
	0,89	0,90	0,91	0,91	0,92	0,94
	0,88	0,89	0,89	0,90	0,90	0,93
	0,87	0,87	0,88	0,88	0,89	0,90
	0,85	0,86	0,86	0,87	0,87	0,88
	0,84	0,84	0,85	0,85	0,86	0,87
	760 (101,3)	765 (102,0)	770 (102,7)	775 (103,3)	780 (104,0)
	1,0	1,0	1,1	1,1	1,2
	0,98	0,99	0,99	1,00	1,00
	0,96	0,97	0,98	0,98	0,99
	0,96	0,96	0,96	0,97	0,97
	0,93	0,94	0,94	0,95	0,96
	0,92	0,92	0,93	0,94	0,94
	0,90	0,91	0,91	0,92	0,92
	0,89	0,89	0,90	0,90	0,91
	0,87	0,88	0,88	0,89	0,89
Примечание. Погрешность приведенных значений коэффициентов не более ±2 %. В случае если t и P являются промежуточными между двумя приведенными в таблице значениями, производят интерполяцию.

 

Пример расчета массовой концентрации пыли в атмосферном воздухе:

Задание: Определить массовую концентрацию (ρ мг/м³) взвешенных частиц при ручном отборе среднесуточной пробы атмосферного воздуха если:

– масса фильтра ФПП-15 без пыли 110 мг;

– масса фильтра с пылью 126 мг;

– расход воздуха при отборе пробы 0,02 м3/мин;

– объем пробы воздуха, измеренный при отборе 1,2 м3;

– температура воздуха на входе в ротаметр или счетчик 22 °С;

– время отбора пробы мин (20 мин по 3 раза в сутки);

– значения атмосферного давления в начале Рн =100,7 кПа и в конце отбора пробы Рк =98,7 кПа.

 

 

Решение:

1) Определяем среднее значение атмосферного давления при отборе среднесуточной пробы рассчитывают по формуле:

где Рн и Рк – значения атмосферного давления в начале и конце отбора пробы.

2) Приведем объем пробы воздуха к нормальным условиям, м³:

1 способ:

м³.

где u - расход воздуха при отборе пробы, м3/мин; V - объем пробы воздуха, измеренный при отборе, м3; t - температура воздуха на входе в ротаметр или счетчик (не на улице!), °С; τ1и τ2- время начала и конца отбора пробы; P - атмосферное давление при отборе пробы воздуха, кПа; K – коэффициент пересчета (при измерении P в кПа K = 2,7, а при измерении P в мм рт. ст. K = 0,358).

2 способ (простой способ):

V₀ = K'V=0,909*1,2=1,091 м³,

где K' – коэффициент пересчета, найденный по табл. 1.

Отклоняется от 1 способа на .

3) Определяем массовую концентрацию (ρ мг/м³) взвешенных частиц в воздухе при отборе среднесуточной пробы вычисляют по формуле:

мг/м³

где m₁ - масса фильтра без пыли, мг; m₂ - масса фильтра с пылью, мг; V₀- объем пропущенного через фильтр воздуха, приведенный к нормальным условиям, м³.

 

Задание:

Определить массовую концентрацию (ρ мг/м³) взвешенных частиц при ручном отборе среднесуточной пробы атмосферного воздуха, используя заданные значения по вариантам в таблице 2: m₁ - масса фильтра без пыли ФПП-15 (110 мг), мг; m₂ - масса фильтра с пылью, мг; u - расход воздуха при отборе пробы 0,04 м³/мин; объем пробы воздуха, измеренный при отборе 2,4 м³; t - температура воздуха на входе в ротаметр или счетчик, °С; время отбора пробы 60 мин; Р_н и Р_к – значения атмосферного давления в начале и конце отбора пробы, кПа.

 

Таблица 2– Исходные данные

Номер варианта	m 2, мг	t, °С	Р н, мм рт. ст.	Р к, мм рт. ст.

 

Лабораторная работа № 4.

«Оценка степени загрязненности атмосферного воздуха по комплексному показателю»

 

Воздушная оболочка Земли является той средой, без которой жизнь невозможна. Масса атмосферы примерно составляет 5,9·10¹⁵ т.

Более 99,9% сухого атмосферного воздуха состоит из азота, кислорода, инертных газов, углекислого газа. Однако даже в чистом воздухе содержатся следовые количества оксида углерода, озона, аммиака и оксидов азота, а также водорода и метана. Все другие соединения (твердые, жидкие и газообразные вещества, изменяющие естественный состав атмосферы), попадающие в воздух из различных источников, классифицируются как загрязнители.

Все источники загрязнения атмосферного воздуха делят на две группы:

- естественные;

- антропогенные.

К первым относятся природные выделения, являющиеся результатом жизнедеятельности организмов, разложения органических веществ, деятельности вулканов и гейзеров, лесных и других пожаров, пылевыделения при разрушении горных пород и почвы в результате эрозии. Источники этих выделений более или менее равномерно распределены по планете, действуют миллиарды лет, результаты их воздействий уравновешиваются в круговороте веществ в природе.

Значительно более опасны антропогенные поступления в атмосферу, которые из случайных превратились в постоянно действующие, с постоянно растущим выбросом.

Основное загрязнение атмосферы создают: автотранспорт, теплоэнергетика, а также такие отрасли промышленности, как черная и цветная металлургия, нефтедобыча и нефтехимия, химическая промышленность и предприятия по изготовлению стройматериалов.

Каждой отрасли промышленности присущ характерный состав и масса веществ, поступающих в атмосферу. Это определяется, прежде всего, составом веществ, применяемых в технологических установках и экологическим совершенством последних.

Самыми распространенными веществами, загрязняющими атмосферу являются: угарный газ (СО), сернистый газ (SO₂), оксиды азота (NO_x), углеводороды (C_nH_m), пыль.

В зависимости от механизма образования загрязнители делят на первичные и вторичные.

- Первичные представляют собой вещества, попадающие непосредственно в воздух из стационарных или подвижных источников.

- Вторичные образуются в результате взаимодействия в атмосфере первичных загрязнителей между собой и с присутствующими в воздухе веществами под воздействием ультрафиолетового излучения.

Загрязняющие вещества в воздушном бассейне по вероятности их неблагоприятного влияния на здоровье населения делят на четыре класса:

- 1-й - чрезвычайно опасные,

- 2-й - высоко опасные,

- 3-й - умерено опасные

- 4-й - малоопасные.

Основой регулирования качества атмосферного воздуха населенных мест являются гигиенические нормативы - предельно допустимые концентрации (ПДК) атмосферных загрязнений химических и биологических веществ, соблюдение которых обеспечивает отсутствие прямого или косвенного влияния на здоровье населения и условия его проживания. (СанПиН 2.1.6.1032-01)

 

Предельно-допустимая концентрация вещества (ПДК) – концентрация, не оказывающая в течение всей жизни прямого или косвенного неблагоприятного действия на настоящее или будущее поколение, не снижающая работоспособности человека, не ухудшающая его самочувствие и санитарно-бытовые условия жизни.

Существует две разновидности данного гигиенического норматива (табл.1):

ПДК_м.р. – предельно-допустимая максимально-разовая концентрация химического вещества в воздухе населенных мест. Эта концентрация при вдыхании в течение 20-30 минут не должна вызывать рефлекторных реакций в организме человека.

ПДК_с.с. - предельно-допустимая среднесуточная концентрация химического вещества в воздухе населенных мест. Эта концентрация не должна оказывать на человека прямого или косвенного воздействия при неопределенно долгом (годы) вдыхании.

 

Таблица 1 – Предельно-допустимые концентрации загрязняющих веществ в воздухе населенных мест [ГН 2.1.6.1338-03]

№	Вещество	Значения ПДК, мг/м3	Лимитирующий показатель вредности	Класс опасности
ПДКм.р.	ПДКс.с.
	Аммиак (NH3)	0,2	0,04	рефл.-рез.
	Диоксид серы (SO2)	0,5	0,05	рефл.-рез.
	Озон (O3)	0,16	0,03	рез.
	Оксид азота (NO)	0,4	0,06	рез.
	Оксид углерода (CO)	5,0	3,0	рез.
	Пыль неорганическая	0,15	0,05	рез.
	Сероводород (H2S)	0,008	-	рефл.
	Формальдегид (CH2O)	0.035	0.003	рефл.-рез.

Примечания: рефл. –рефлекторное действие; рез. – резорбтивное действие.

 

Разработка ПДК основывается на лимитирующем показателе вредности загрязняющего вещества. Лимитирующий (определяющий) показатель вредности характеризует направленность биологического действия вещества: рефлекторное (рефл.) и резорбтивное (рез.).

Под рефлекторным действием понимается реакция со стороны рецепторов верхних дыхательных путей - ощущение запаха, раздражение слизистых оболочек, задержка дыхания и т.п. Указанные эффекты возникают при кратковременном воздействии вредных веществ, поэтому рефлекторное действие лежит в основе установления максимальной разовой ПДК (ПДКмр).

Под резорбтивным действием понимают возможность развития общетоксических, гонадотоксических, эмбриотоксических, мутагенных, канцерогенных и других эффектов, возникновение которых зависит не только от концентрации вещества в воздухе, но и длительности ее вдыхания. С целью предупреждения развития резорбтивного действия устанавливается среднесуточная ПДК (ПДК).

Для определения степени негативного воздействия загрязняющих веществ на здоровье населенияфактически измеренные концентрации сравнивают с ПДК. Единичные, разовые концентрации примеси обычно сравнивают с его максимальной разовой предельно-допустимой концентрацией и определяют число случаев, когда были превышены ПДК, а также во сколько раз наибольшее значение было выше ПДК. Среднее значение концентрации за месяц или за год сравнивается с ПДК длительного действия - среднесуточной ПДК.

Критерием безопасности атмосферного воздуха является следующее соотношение:

(1),

где - концентрация i -го загрязняющего вещества; - предельно-допустимая концентрация данного вещества.

Для химических веществ, свойства которых и механизмы действия на человеческий организм недостаточно изучены, вводится временный норматив максимально допустимого содержания в атмосферном воздухе –ориентировочно безопасные уровни воздействия (ОБУВ). ОБУВ устанавливаются сроком на три года, по истечении которого пересматриваются или заменяются на ПДК.

Для характеристики вклада отдельных примесей в общий уровень загрязнения атмосферы за данный период времени на данной территории или в точке измерения; для сравнения степени загрязнения атмосферы различными веществами определяют индекс загрязнения атмосферы отдельной примесью (ИЗА):

ИЗА() – количественная характеристика уровня загрязнения атмосферы отдельной примесью, учитывающая класс опасности вещества через нормирование на опасность диоксида серы (SO₂):

(2),

где – среднегодовая концентрация i -й примеси; – константа для различных классов опасности загрязняющих веществ по приведению к степени вредности SO₂ (табл.2).

Таблица 2 – Значения

Класс опасности
Значение Кi	1,7	1,3	1,0	0,9

 

Использование константы основано на предположении, что на уровне ПДК все вредные вещества характеризуются одинаковым влиянием на человека, а при дальнейшем увеличении концентрации степень их вредности возрастает с различной скоростью, которая зависит от класса опасности вещества.

Состояние загрязнения воздуха несколькими веществами, контролируемыми в атмосфере города, оценивается с помощью комплексного индекса загрязнения атмосферы (КИЗА), который рассчитывается как сумма индексов загрязнения атмосферы отдельными примесями:

(3)

Для сравнения степени загрязнения атмосферы различных городов (населенных пунктов), различных районов одного города рекомендуется использовать в качестве характеристики уровня загрязнения КИЗА, рассчитанное по определенному количеству ингредиентов, вносящих наибольший вклад в уровень загрязнения атмосферы. Чаще всего рассчитывают КИЗА по пяти приоритетным ингредиентам, так называемое КИЗА пять (КИЗА₅). КИЗА₅ также применяется для оценки временной (многолетней) тенденции изменения состояния загрязнения атмосферы одного города (населенного пункта).

По величине КИЗА определяют класс состояния атмосферы по четырехбальной шкале (табл.3):

-класс «нормы» соответствует уровню загрязнения воздуха ниже среднего по городам страны;

- класс «риска» равен среднему уровню;

- класс «кризиса» - выше среднего уровня;

- класс «бедствия» - значительно выше среднего уровня.

 

Таблица 3 – Критерии оценки состояния загрязнения атмосферы по комплексному индексу (КИЗА)

Показатель состояния	Классы экологического состояния атмосферы
Норма (Н)	Риск (Р)	Кризис (К)	Бедствие (Б)
КИЗА	< 5	5 - 8	9-15	> 15

 

 

Порядок выполнения работы:

1. Ознакомиться с теоретической частью работы.

2. Выбрать вариант задания (табл.4).

 

Таблица 4 – Среднегодовые концентрации загрязняющих веществ, мг/м³

Вариант	Среднегодовые концентрации загрязняющих веществ, мг/м3
SO2	CO	NO	CH2O	O3	Пыль	H2S	NH3
	0,02	3,5	0,02	0,001	0,03	0,05	0,004	0,01
	0,03	3,0	0,06	0,003	0,04	0,07	0,007	0,05
	0,04	2,5	0,03	0,002	0,03	0,03	0,003	0,02
	0,06	2,3	0,02	0,005	0,02	0,02	0,005	0,04
	0,63	3,6	0,05	0,004	0,03	0,04	0,008	0,04
	0,04	1,8	0,04	0,003	0,04	0,03	0,007	0,07
	0,92	3,1	0,07	0,001	0,12	0,08	0,003	0,03
	0,50	2,6	0,35	0,003	0,04	0,02	0,005	0,05
	0,03	2,9	0,04	0,002	0,13	0,05	0,009	0,06
	0,04	5,1	0,30	0,025	0,12	0,09	0,004	0,02

 

3. Руководствуясь критерием безопасности атмосферного воздуха определить в каком случае наблюдается превышение гигиенических нормативов. Результаты работы занести в таблицу 5.

 

 

Таблица 5 – Результаты оценки безопасности атмосферного воздуха

№	Вещество	Среднегодовая концентрация вещества, мг/м3	Значения ПДК, мг/м3	Соответствие	Класс опасности
ПДКм.р.	ПДКс.с.	ПДКм.р.	ПДКс.с.

 

4. Произвести расчет индексов загрязнения атмосферы отдельными примесями (формула 2).

5. Рассчитать комплексный индекс загрязнения (КИЗА) всеми примесями.

6. Определить класс экологического состояния атмосферы.

7. Итоговые результаты работы отразить в выводе.

Вопросы для контроля

1. Назовите основные источники загрязнения атмосферы.

2. Приведите классификацию загрязняющих атмосферу веществ.

3. Перечислите и дайте определения санитарно-гигиеническим нормативам качества атмосферного воздуха.

4. Что такое лимитирующий показатель вредности загрязняющего вещества?

5. Что такое ИЗА? В каких случаях определяется данный показатель?

6. Что такое КИЗА? Какую информацию о состоянии атмосферы можно получить из величины данного показателя?

 

Лабораторная работа № 5.

«Определение зоны загрязнения выбросами автотранспорта»

Методики расчета:

Основными токсичными компонентами отработавших газов двигателей внутреннего сгорания (ДВС) автотранспорта являются оксиды углерода, азота и углеводороды. Оценку уровня загрязнения воздушной среды отработавшими газами следует производить на основе расчета. Методика расчета включает поэтапное определение эмиссии (выбросов) отработавших газов и концен­трации загрязнения воздуха этими газами на различном удалении от дороги, а затем сравнение полученных данных с ПДК данных веществ в атмосферном воздухе населенных пунктов. При расчете выбросов учитываются различные типы автотранспортных средств и конкретные дорожные условия.

Расчет выполняют в следующей последовательности:

1. Определяют мощность эмиссии q_j, мг/м·с, отдельно для каждого компонента (окиси углерода, оксидов азота, углеводо­родов) на конкретном участке дороги по формуле:

(1),

 

где m - коэффициент, учитывающий дорожные и транспортные условия, принимается по графику рис.1 в зависимости от средней скорости транспортного потока V, км/ч; G_ik - средний эксплуатационный расход топлива для данного типа карбюраторных автомобилей, принимается по табл.1, л/км; G_iд - то же для дизельных автомобилей, л/км; N_ik- интенсивность движения каждого выделенного типа карбюраторных автомобилей, авт./ч;N_iд то же дизельных автомобилей, авт./ч; K_к и К_д - коэффициенты, принимаемые для данного компонента загрязнения с карбюраторными и дизельными типами ДВС, соответственно, по табл.2.

Рисунок 1 – Зависимость поправочного коэффициента m от V

 

Таблица 1 – Средние эксплуатационные нормы расхода топлива, л/км

Тип автомобиля	Значение Gik, л/км
Легковые автомобили	0,11
Малые грузовые автомобили карбюраторные (до 5 тонн)	0,16
Грузовые автомобили карбюраторные (5 тонн и более)	0,33
Грузовые автомобили дизельные	0,34
Автобусы карбюраторные	0,37
Автобусы дизельные	0,28

 

Таблица 2 – Значения коэффициентов K_к и К_д

Вид выбросов	Тип ДВС
карбюраторный	дизельный
Оксид углерода	0,6	0,14
Углеводороды	0,12	0,037
Оксиды азота	0,06	0,015

 

2. Рассчитывают концентрации C_j, мг/м³, загрязнения атмосферного воздуха токсичными компонентами отработавших газов на различном удалении от дороги, используя модель Гауссового распределения примесей в атмосфере на небольших высотах, по формуле: